时间：2023-03-17 18:06:56
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关键词：永磁同步电动机，电梯
一、永磁同步电机应用于电梯驱动技术
永磁同步电机无齿轮传动系统采用正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)，由于其减少了变速箱以及齿轮机械结构，减小了体积。论文参考网。同时永磁同步电机较之于以往交流异步电动机，应用于电梯拖动系统时有以下几个特点:
1、永磁同步电机机械噪音小，转矩波动小，转速平稳，动态响应快速准确。同步电动机比异步电动机对电压及转矩的扰动有着更强的承受能力，能做出比较快的反应。异步电动机当负载转矩发生变化时，电机的转差率也发生变化，转速也就随之变化，这样电机的转动部分的惯量就会阻碍电机做出快速的反应;而同步电机当负载转矩发生变化时，只要电机的功角做出相应的变化，而转速维持在原来的转速，这样电机转动部分的惯量就不会影响电机的快速反应。
2、相对于传统有齿轮传动系统，以永磁同步电机为主要技术的无齿轮曳引技术实现了无机房化，降低了建筑面积，整个电梯系统的成本降低，维护方便，减少了机械传动系统，噪音降低。
3、体积小，重量轻，随着高性能永磁材料的应用，转子无需励磁，相对于异步电机减少了变速用的变速箱，所以永磁同步电机功率密度不断增加，比起同容量的异步电机，它的体积，重量都要减小许多。
4、损耗小，效率高，永磁同步电机相对于异步电机无需励磁电流，无功电流分量，显著的提高了功率因数;由于高性能永磁材料的应用，提高了磁负荷，在相同功率的情况下，在设计过程中可以相应的减少电负荷，这样随之减小定子电流和定子铜耗。转子采用表面磁钢形式，在稳定运行时无转子铜损提高了效率。
5、性能价格比高。论文参考网。随着电力电子技术的成熟，电子器件的价格的降低，人们越来越多得用变频电源来驱动永磁同步电机，这就使整个驱动系统的成本不断降低。
二、国内外电梯驱动用永磁同步电动机的发展现状
国际上对电梯驱动用永磁同步电动机的研究己经进行了多年。从上世纪90年代起，电梯行业内的有关企业就开始了对电梯驱动用永磁同步电机的探索。日本三菱公司首先在高速电梯曳引机上使用永磁电机，提高了电梯的运行性能。日本在永磁电机应用于电梯的研究也己经进行了多年，并且取得了很大的成绩，其中以日本安川为代表的一些企业己经生产出了此类产品并获得了应用。他们在控制方式、转子位置检测、驱动变频器及电机本体设计等方面己经有了很多产品且申请了相关的专利。其产品经过实际测试，得到了国内同行的高度评价。论文参考网。东芝公司外旋转无齿轮永磁同步电动机曳引机的曳引轮与电机成为一体，实现了小型化、轻量化。
三、永磁同步电动机的分类
永磁同步电机按主磁场方向的不同，可分为径向磁场式和轴向磁场式;按电枢绕组位置的不同，可分为内转子式(常规式)和外转子式;按转子上有无起动绕组，分为无起动绕组的电动机(用于变频器供电的场合，利用频率的逐步升高而起动，并随着频率的改变而调节转速，常称为调速永磁同步电动机)和有起动绕组的电动机(可在某一频率和电压下利用起动绕组所产生的异步转矩起动，常称为异步起动永磁同步电动机);按供电电流波形的不同，可分为矩形波永磁同步电动机(简称无邪}J直流电动机)和正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。永磁同步电机无齿轮传动系统采用的正是正弦波永磁同步电动机(简称永磁同步电动机)。
四、变频调速永磁同步电动机的设计要求
由于采用变频器对电机实行变频变压调速时，经变频器输入电机的电源是一个含有大量谐波分量的电压或电流发生源，它对电机的性能产生很大影响，主要表现在:电机振动、电磁噪声、损耗增大、起动转矩下降，温升升高等现象，而电梯的运行恰在这几方面要求比较严格，为此必须有针对性地采取措施。
（一）电动机低速平稳性的改善
电动机服务于电梯传动系统，因此对于运行的平稳性、动态响应性能和运行中的低噪声提出了较高的要求，尤其是对电机低速运行的平稳性要求更为严格，因为低速平稳性是保证电梯电机性能的重要指标。影响电动机低速平稳性的主要原因是电动机低速运行时的脉动转矩，该脉动转矩通常分为两种:一是由感应电动势或电流波形畸变而引起的纹波转矩，二是由齿槽或铁心磁阻变化而引起的齿谐波转矩。针对这两种情况，减小电动机低速脉动转矩的措施主要有以下几点:
1、使电机空载磁场气隙磁通密度的空间分布尽量接近于正弦形，以减少由谐波磁场引起的谐波转矩以及由谐波转矩引起的电磁振动。
2、合理选择定子槽数，使在该槽数下采用绕组短距、分布的方法来有效地削弱高次谐波电动势。
3、当转子有槽时，应该选择与定子槽数相配合的转子槽数。
4、增大电机的气隙长度，以减小气隙磁场齿谐波及相应的齿谐波转矩。
5、采用定子斜槽或转子斜极削弱齿谐波电动势，从而减少相应的齿谐波转矩。
6、减小定子槽的开口宽度或采用磁性槽楔，以降低由定子槽开口引起的气隙磁导的变化，从而减小了气隙磁场齿谐波。
7、采用阻尼绕组，以减小电枢反应磁链的脉动，可以有效地减少纹波转矩。
8、增大交轴同步电抗，使凸极永磁同步电动机的交轴同步电抗与直轴同步电抗的差距增大，从而增加电机的磁阻转矩，以增强电机低速运行时的输出能力。
（二）电动机低速平稳定位转矩的抑制
高精度的调速传动系统通常要求系统具有较高的定位精度。影响永磁同步电动机停转时定位精度的主要原因是电机的定位转矩，即电机不通电时所呈现出的磁阻转矩，该转矩使电机转子定位于某一位置。定位转矩主要是由转子中的永磁体与定子开槽的相互影响而产生的。
（三）提高弱磁扩速的能力
永磁同步电动机的励磁磁场由永磁体产生，不像电励磁同步电动机那样可以调节，这样在控制手段上就只能通过增大电机的直轴去磁电流以达到弱磁扩速的目的。
针对这一情况，对永磁同步电动机本身提出的要求是:
1、增大直轴同步电抗，以增强电机直轴电流的去磁能力。
2、选用抗去磁能力强的永磁体，并在电机结构上对永磁体加强保护，以避免永磁体发生不可逆性去磁。
3、充分利用电机的磁阻转矩，使永磁磁链设计得较低，从而增强电机的弱磁扩速能力。
4、保证电机转子具有适合高速运行的足够的机械强度。
五、结论
永磁同步电动机和异步电动机不同，永磁体提供的磁通量和磁动势随着磁路的饱和程度、材料尺寸、电机的运行状态变化而变化，而且由于转子磁路结构形式多种多样，不同的转子磁路结构，其空载漏磁系数各不相同，对电机的性能有着重要影响。据有关人士预计，在2010年新增的电梯90%以上是由低速、大转矩的永磁同步电动机直接驱动的无齿轮曳引电梯，永磁同步电动机在无齿轮曳引电梯中的应用将有很好的发展前景。
参考文献:
[1]廖富全.基于DSP的永磁同步电机交流伺服控制系统[J]兵工自动化,2005,(03).
[2]樊锋,刘强.交流直线电机矢量变换控制软换向方法及实现[J]北京航空航天大学学报,2004,(04).
【关键词】永磁同步 电动机 低速大扭矩 高效节能
1 引言
随着经济的发展，人类社会对能源的需求也日益增加，石油、煤炭等不可再生资源也日益枯竭，能源紧张也成为了全球共同关注的话题，党的十六届五中全会强调，要加快建设资源节约型，环境友好型社会。同时，国家也提出了推广变频永磁电动机技术的要求，在这种背景下，低速永磁同步电动机技术也日益成熟，广泛运用到了各个行业中。
2 低速永磁同步电动机的特点
永磁同步电动机与传统感应电动机工作原理基本相同，都是由定子产生磁场带动转子，其不同之处在于低速永磁同步电动机由永磁体励磁替代了传统感应电动机的电励磁。永磁同步电动机具有低速大扭矩、结构简单、功率因数高、效率高、体积小、噪声低、可靠性高等显著优点。
低速大扭矩、结构简单。与传统电动机相比，低速永磁电动机的气隙磁场是有永磁体产生的，加上永磁体形状及磁路设计的多样性，这样就可以简化电动机结构，根据需要灵活设计电动机的外形尺寸。传统感应电动机在起动时存在最小转矩，通常来说其最小转矩倍数小于1，而低速永磁同步电动机是变频起动，在起动时无最小转矩倍数的限制，只要负载所需起动扭矩小于最大转矩，都可以顺利起动。在某些领域，传统感应电动机低起动转矩的特性，使其在选型时不得不提高电动机功率来增大起动转矩，以永磁同步电动机设计转速100rpm为例，由公式
可知，相同功率的低速永磁同步电动机与传统4P电动机相比，其起动扭矩是传统电动机的15倍。
效率、功率因数高。传统感应电动机因存在定子电阻和定子电流损耗，稳定运行时风磨耗也占据一定比例，这些因素限制了功率因数的提高；低速永磁同步电动机在运行时不产生无功励磁电流，且风磨耗、杂耗、机械耗等损耗都低于传统感应电动机，这些因素都使永磁同步电动机的效率、功率因素高于传统感应电动机。大量统计表明，就效率而言，同规格永磁电动机比传统感应电动机提高了2～8%。图1是低速永磁同步电动机和传统感应电动机不同负载下的效率、功率因数曲线，从图中可以看出，低速永磁同步电动机在25%～120%额定负载范围内均可以保持较高的功率因数和效率，而传统感应电动机在低负载率或者高负载率时效率、功率因数同额定负载率相比下降很多，在低负载率时下降尤为明显。低速永磁同步电动机这种高效率、高功率因数的优点是传统感应电动机所不具备的。
体积小。对于传统驱动系统，尤其是末级传动需要较低速度时，一般需要异步电动机加减速机或者是异步电动机加2～3级皮带轮减速来实现，这种机构体积庞大且笨重，不仅增加了设计成本，在设备安装方面也占据了大量的空间。而低速永磁同步电动机直驱系统的体积和重量通常不到传统驱动系统的一半，加上可以灵活设计永磁电动机的结构，在设备的安装、调试等方面要求大大降低。
噪声低，运行平稳。应用低速永磁同步电动机的直驱系统取消了减速机、皮带轮等机械减速装置，消除了齿轮啮合或皮带轮传动时的噪声，系统高速运转时由于各个部件中间不平衡带来的噪声、震动大大降低。
可靠性高。机械减速传动装置的取消，消除了中间传动环节的机械故障，同时，由于设备磨损、机械变形、零部件松动等带来的油泄露问题也不复存在，大大提高了传动系统的稳定性，如图1所示。
3 低速永磁同步电动机应用现状
自1831年科学家巴洛发明世界上第一台永磁电动机以来，各国的科技工作者一直在探索永磁同步电动机的发展，但由于永磁材料性能的限制，一直停滞不前。二十世纪三十年代以来，随着铝镍钴和铁氧体材料的先后出现，永磁材料的性能得到了很大的提升，用永磁体做成的电动机也不断的出现在军事装备、工业生产设备、日常家电等领域。但是，由于铝镍钴和铁氧体材料矫顽力偏低、剩磁密度不高等缺陷，永磁电动机性能并没有达到预期效果，加上当时永磁电动机成本较高，在一定程度上限制了永磁电动机的发展。1983年，铷铁硼（NdFeB）永磁材料的出现，极大的提高了永磁材料的各项性能，且加上价格相对便宜，加快了国内外对永磁电动机研究的步伐，研究的重点也逐渐的转移到了工业装备自动化和日常生活领域。随着科学工作者对永磁材料研究的不断深入，永磁材料的电磁性能、耐高温性能也在不断的提升。同时，伴随着电力电子控制技术的发展，与传统电励磁电动机相比，永磁电动机高效节能的优势更加明显，低速永磁同步电动机也朝着大功率化、高转矩化、微型化、智能化等多个方向发展。
目前，由于低速永磁同步电动机低速大扭矩、体积小、输出平稳、高效节能等优点，已经在很多方面作为驱动装置得到应用，如电动车辆、煤炭开采、石油开采、冶金、电梯等领域。在电动车辆方面，日本已将其用于低地板式电动车、独立车轮式电动车上；德国、法国也将永磁同步电动机用于高速列车组和低地板车；在煤炭、石油、冶金、港口起重等工业装备自动化领域，低速永磁同步电动机在保证高性能、高效率、高精度需求的同时，省去了传统传动系统中的机械减速装置，已经成功得到应用；在电梯曳引机上，由于低速永磁同步电动机可以实现无需机械减速装置的直驱运行，日本三菱公司首先采用了永磁同步电动机作为动力源，美国奥迪斯公司研发的GEN2系统也广泛采用了永磁无齿轮曳引机技术。
4 低速永磁同步电动机的发展趋势
目前来看，去除减速机、多级皮带轮等机械减速装置，采用低速永磁直驱系统，更能够充分发挥低速永磁同步电动机的优势。低速永磁同步电动机作为驱动系统动力提供者，正向着专用化、高性能化、轻型化、机电一体化等等方向发展。
4.1 专用化发展
在工业生产领域，有很多设备需要减速机等机械减速装置来减速进而驱动负载，这就需要电动机行业技术人员仔细分析其负载特性，专门设计一种性能优良、运行可靠且价格合理的低速永磁同步电动机，来替代传统传动装置。据统计，有些专用低速永磁同步电动机节电率可以达到20%左右，如油田用到的抽油机电机、泥浆泵电机，陶瓷行业用到了陶瓷球磨机电机等。
4.2 高性能方向发展
S着工业的发展，对电动机的要求不仅仅是简单的提供动力，而是提出了各种各样的性能要求。如航空航天领域要求具备高性能同时，还要具备高可靠性；化纤行业、数控机床、智能加工中心等设备要求电动机具有高调速精度。
4.3 轻型化方向发展
由于安装空间、携带等方面的因素，都对永磁同步电动机提出了重量轻、体积小的要求。如地下煤矿开采、数控机床、医疗器械、船舶推进、便携式机电一体化产品等都有这方面的要求。
4.4 机电一体化方向发展
高性能的永磁电动机是实现机电一体化的基础，电力电子技术、微电子控制技术和永磁同步电动机技术的结合催化出了一批新型且性能优异的机电一体化产品。
5 结语
我国具有丰富的稀土矿产资源，且对以稀土作为原材料的永磁材料和永磁电动机技术研究都已位列世界先进水平，充分发挥这种优势，加快低速永磁同步电动机技术的研究和推广，对加快我国经济建设具有十分重要的意义。低速永磁同步电动机较传统电励磁电动机在性能上有很大优势，但目前在我国工业领域并没有得到广泛应用，其市场还正处在推广阶段。相信随着永磁材料技术的发展、电力电子和驱动装置技术的进步，以及人类社会环境保护意识、能源问题社会意识的提高，在不久的将来，低速永磁同步电动机作为动力的驱动装置会慢慢渗透到工业和日常生活的各个方面，低速永磁同步电动机也将得到广泛应用。
参考文献
[1]杨萌.起重用低速大扭矩永磁同步电动机研究与设计[D].华中科技大学（硕士学位论文），2013.
[2]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京：机械工业出版社，1997.
[3]王秀和.永磁电机[M]，北京：中国电力出版社，2007.
[4]闫萍，吴梦艳.现代永磁电机技术的研究[J].防爆电机.2014.
[5]王帅.抽油机直驱用低速大转矩永磁电机及其控制系统研究[D].沈阳工业大学（硕士学位论文），2010
作者简介
王锦涵（2000-），女，河南省南阳市人。现为南阳第一高级中学在读学生。
[关键词]超环面；机电传动；参数选择；结构分析
中图分类号：TH132.44 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0093-03
在机械工程领域，机械传动技术是机械工程技术的重要组成部分，在一定程度上标志着机械工程技术的水平。为适应这一趋势，人们一般从以下方面对齿轮及蜗杆传动展开新的研究工作。一、应用现代材料科学技术，研究开发齿轮及蜗轮新材料；二、采用先进制造技术，不断完善高性能齿轮及蜗轮蜗杆齿廓成型技术，提高加工精度；三、运用计算机辅助设计技术，对齿轮及蜗轮蜗杆传动进行齿廓优化、参数优化及机构优化。
随着电子、信息和控制等技术向机械工程领域的不断渗透，传统的机械传动系统也发生了很大变化，跨越旧的机构组成概念，实现机电和控制有机结合的新型复合传动机构已成为机械科学领域的国际性前沿课题。机电集成超环面传动是一种集电、机、控制于一体的新型传动机构。
超环面机电传动系统机构由行星轮、环面蜗杆、环面定子和行星架组成。由于在结构上它具有蜗杆上一个外环面和定子上一个内环面两个环面，所以称其为超环面。同时，由于它是由电磁力替代了超环面行星蜗杆传动机构中的接触啮合力，所以称其为超环面机电传动机构。蜗杆环面上均匀分布螺旋槽，槽内安放电磁线圈，行星轮圆周上均匀安放弧形永磁体，环面定子内环面上均匀安置螺旋形永磁体。
与现有的超环面行星传动相比，它不仅具有环面蜗杆传动震动小、啮合齿数多、结构紧凑、体积小、重量轻、承载力高、传动功率及传动比范围广和传动效率高的优点，它在工作时，是用磁场力替代啮合力，具有无啮合、无和效率高等优点。超环面行星蜗杆传动机构在工作时需要配带电动机，而超环面机电传动机构不需要配带电动机。
在超环面行星蜗杆传动的加工制造方面，国内外的专家、学者一直在进行着不停的研究和探索。我国武汉水运工程学院陈定方教授、哈尔滨工业大学姚立纲博士都对该种传动的制造加工进行了深入的研究。燕山大学许立忠教授于1999年制成国内首台滚锥齿超环面传动试验样机，进行了台架实验，并取得良好的试验效果[6]，之后又对滚锥齿超环面行星蜗杆传动进行了优化设计，有效的减小了样机的体积和质量[7]。
实践证明， 超环面机电传动机构有着其他机构所不具备的很多优点。随着永磁传动技术的快速发展，用磁力线啮合代替机械啮合成为解决摩擦损耗的一个新思路。在实际的加工生产过程中，电动机可以有效的将电能转化为机械能，通常也作为驱动的目的使用，磁性是电动机工作的基础。
电动机是工业中的重负荷机器，有很多类型的电动机，每种类型的电动机都有自己各自的特征和优点。有些电动机是以恒定速度运行的，还有一些电动机会随着负载的增加，在速度上有一定的滑落，而另一些则会由于负载的原因使其速度大幅度降低。
如图1所示为超环面传动机构简图，该机构由定子0、行星轮1、中心蜗杆2和行星架3组成。也正是由于在结构上它具有蜗杆2上一个外环面和定子0上一个内环面两个环面的原因才称之为超环面传动。
中心蜗杆2环面上均匀分布螺旋槽，槽内安放电磁线圈，行星轮1圆周上均匀安置弧形永磁体，环形定子0内环面上均匀安置螺旋形永磁体。由电机学和永磁理论可知在工作的时候，中心蜗杆2由硅钢片叠加而成，外表缠有电磁线圈，接通三相交流电产生空间旋转电磁场，驱动行星轮自转和公转，定子处也有磁场力驱动行星轮公转。
永磁行星轮齿N、S极相间、均匀地嵌在行星轮的圆周上。螺旋定子由若干个钢材或者永磁体制成的空间螺旋梁组成。螺旋梁均匀的嵌在定子支架上，用于吸引行星轮齿沿轨迹运动。
由于该系统是传统意义上的驱动系统和减速增矩系统的集成，因此该传动机构结构紧凑，可以在很小的空间内传递很大的扭矩，特别适合于航空和航天等尖端技术领域以及坦克潜艇等重要军事领域。
超环面机电传动机构传动部分，如图2所示，主要包括电枢蜗杆、永磁行星轮、永磁定子及行星架等部件。超环面机电传动蜗杆由铁心和电枢组成，蜗杆结构为由开口的硅钢片叠加而成，以便于减少涡流损耗，硅钢片中间由一根芯轴固定，外面呈现超环面的内环面部分。开口按一定的规律在内环面上加工出电枢槽，用以安放电枢导线。
超环面机电传动系统是在超环面行星蜗杆传动的基础上，对各个组成零件进行机电组合而得到。行星轮仍然是该传动的中心构件，根据行星轮的结构及运动特点，行星轮结构采用永磁励磁方式，永磁励磁与电流励磁相比，不需要励磁电流，不设电枢导线，结构简单，使用方便，可靠性高，在一定范围内，可以具有比电磁式更小的体积和重量，从而减小整个传动机构的重量和体积。
超环面机电传动机构在行星轮圆周上安置永磁体，N、S极由隔磁材料隔开，齿数为偶数，形成永磁行星轮；为了能更好地控制输入转矩，蜗杆采用电流励磁方式，三相交流电枢均匀地嵌于蜗杆表面，通过控制三相交流电的频率和强弱，进而控制整个机构的转速和力矩，电枢的缠绕方式取决于需要的磁极数目和行星轮齿数，在整体结构上类似于电动机的定子结构；为了获得较大的输出力矩，定子也采用稀土永磁励磁，结构简单， 便于加工， 解决了超环面行星蜗杆传动定子加工难的问题。
在超环面机电传动机构中， 分别存在两个磁回路， 对应于蜗杆与行星轮啮合和定子与行星轮啮合， 从原理上来说蜗杆与行星轮啮合相当于电动机， 蜗杆线圈通电产生旋转磁场带动行星轮转动， 这样行星轮上磁极的磁力线通过气隙到达蜗杆旋转磁场磁极， 蜗杆由硅钢片叠加而成， 磁力线通过硅钢片到达蜗杆的另一磁极，经过气隙回到行星轮磁极， 经过行星轮体完成磁力线的闭合。
超环面机电传动系统的主要优点就是能实现系统的内部减速，可以实现较大的传动比。我们把系统的传动比定义为：输入的旋转电磁场的转速与输出轴转速之比[1]。超环面机电传动的传动比计算分成两种情况：环面定子固定和行星架固定。
磁齿轮的啮合与普通齿轮的啮合有根本的不同，普通齿轮啮合时，靠接触线或接触点，通过接触处材料的弹力传递机械力， 实现传动；而磁齿轮啮合实际上是两个磁极的正对面相互对齐，靠彼此之间的磁力作用传递运动。根据电磁理论，电枢合力方向为齿槽面的法线方向，可分解为三个相互垂直方向的作用力，使行星轮发生自转和公转，带动行星架转动， 实现运动的输出。
行星轮受力分析如图3示，中心蜗杆表面上均匀排布N 极、S 极间隔的稀土永磁体， 定子的内环面上也均匀排布N 极、S极间隔的螺旋形稀土永磁体。当中心蜗杆的电枢接通三相交流电时， 在其周围将产生旋转磁场，行星轮在蜗杆和环面定子两处将受到磁场力的共同作用，在这两处磁场力的共同作用之下， 行星轮将在自转的同时还绕中心蜗杆轴线公转，支撑行星轮的行星架将在行星轮的驱动之下作自转运动， 行星架的自转运动就是该机构的输出运动。
设行星轮轮齿在任一转角ψi处与中心蜗杆啮合， 即行星轮上一个永磁体与蜗杆旋转磁场在这个位置有磁场力作用。Fni表示此刻行星轮受到的磁场力，即法向力。Fai和Fti分别表示其轴向分力和切向分力。在超环面机电传动机构中， 行星轮上永磁体与蜗杆间气隙非常小，如果把行星轮上均匀分布的永磁体当量为一段通电导体， 这个当量通电导体可以近似认为与中心蜗杆电磁场平行。那么可以得到中心蜗杆与行星轮之间的磁力作用， 如图3所示的法向力Fni，即：
（1）
式中： Fni――中心蜗杆与行星轮之间的法向力N；
B――中心蜗杆旋转磁场与行星轮永磁体磁场的合磁场强度， T；
L――行星轮上均匀分布永磁体的有效长度，mm；
Id――行星轮永磁体磁场当量电流强度， A 。
切向分力Fti提供行星轮自转驱动力矩Ti， 轴向分力Fai驱动行星轮公转， 行星轮自转的同时要与定子啮合。定子上螺旋分布的永磁体与行星轮上均匀分布的永磁体产生磁力， 这个磁力与在蜗杆处受到的磁力一样， 可以分解为一个轴向分力F’ai和一个切向分力F’ti。F’ti施加行星轮自转阻力矩T’1。T1与T’1大小相等。
超环面机电传动机构中，行星架与所有行星轮中心轴连在一起，所有行星轮的公转力矩共同形成行星架的输出力矩。对于每一个行星轮，它的公转力矩分为两个部分，一部分是蜗杆处的轴向力对蜗杆中心轴形成的力矩，另外一部分是定子处的轴向力形成的力矩。这两部分力矩共同形成一个行星轮的公转力矩Tni。即：
（2）
式中，φ1――蜗杆啮合点处的位置角，rad；
ψ1 ――定子啮合点处的位置角，rad；
a――蜗杆与行星轮的中心距，mm。
超环面机电传动机构输出力矩具有以下特征：
1、输出力矩与行星轮个数m，合磁场强度B，永磁体当量电流强度Id，行星轮永磁体的有效长度L，行星轮半径R等因素成正比的关系。
2、当其他因素相同，改变行星轮齿数将改变啮合时中心蜗杆对行星轮包围的齿数，以及包围齿数突变点的位置。但是，输出力矩并不是随着行星轮齿数的增加而增加的，因为行星轮齿数的增加并不一定能增加行星轮与中心蜗杆的啮合。
杆上齿槽分布情况确定以后，线圈具体的缠绕方式可以参考电机绕组的缠绕方式。由于蜗杆布线槽形状比较复杂，为提高齿槽的利用率，使绕线嵌线方便， 蜗杆绕组一般采用单层型式、链式绕组。
根据环面蜗杆与行星轮的啮合情况，电枢分布有两种形式：行星轮齿完全啮合，和蜗杆齿完全啮合两种情况。无论采取何种啮合方式最终产生的电磁齿与行星轮的齿都存在一定的啮合关系。随着a/R的增加，蜗杆电枢和定子梁的螺旋角减小，行星轮与蜗杆之间的啮合齿数增加；随着极对数的增加，蜗杆电枢和定子梁的螺旋角增加，极对数越多啮合点也越多。
n=0时，表示行星轮和蜗杆全部完全啮合。螺旋角的表达式可以统一，根据超环面机电传动系统的正确啮合条件方程式，可知超环面机电传动必须满足以下表达式：
（3）
中心蜗杆的极对数是成对出现的，有一个N极就必然有一个S极与其对应。所以中心蜗杆的齿数可以用极对数p表示，即Z2=2p，p取自然数。所以当中心蜗杆每增加一对极，通过行星轮与之啮合的定子齿数就应增加两个。用Z0表示定子齿数，可得定子齿数与极对数存在如下关系：
（4）
其中，p为环面蜗杆极对数，λ0为环面定子的螺旋角，λ2为蜗杆齿槽螺旋角，N为包含0的正整数。
综上所述，可以得出tanλ2，tanλ0，p和Z1四者之间的关系，在实际计算过程中由于行星轮转角Φ1一直在变化，所以定子梁螺旋角和电枢螺旋角也一定随之变化，但是变化幅度很小，因此螺旋角通常取平均值代替。
机械传动在机械工程领域中占有重要的地位，随着机械工业的发展，越来越需要集成化的传动机构。本论文提出了一种新型复合传动机构―超环面机电传动机构，并对该机构从驱动机理、啮合分析、传动比分析及结构参数选择与设计等方面进行了研究，不仅具有重要的理论意义，而且具有重要的实用价值。
参考文献
[1] 孙志礼，冷兴聚，魏严刚等主编 机械设计.沈阳：东北大学出版社2000.
【关键词】伺服系统；永磁同步电机；直流无刷电机
一、概述
从70年代后期到80年代初期，随着微处理技术，大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展，其性能价格比的日益提高，交流伺服技术－交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。目前，高性能的伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电机，永磁同步电机交流伺服系统在技术上已趋于完全成熟，具备了十分优良的低速性能并可实现弱磁高速控制，能快速、准确定位的控制驱动器组成的全数字位置伺服系统。并且随着永磁材料性能的大幅度提高和价格的降低，特别是钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善和价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，经大力推广和应用已有研究成果，其在工业生产领域中的领域也越来越广泛，正向大功率化（高转速、高转矩）、高功能化和微型化方面发展。
二、永磁同步电机伺服系统的基本结构
永磁同步电机伺服系统除电机外，系统主要包括驱动单元、位置控制系统、速度控制器、转矩和电流控制器、位置反馈单元、电流反馈单元、通讯接口单元等。
1．永磁式交流同步伺服电机。永磁同步电机永磁式同步电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高的特点。和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等需要更多维护给应用带来不便的缺点。相对异步电动机而言则比较简单，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好，但存在最大转矩受永磁体去磁约束，抗震能力差，高转速受限制，功率较小，成本高和起动困难等缺点。与普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电机矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电机矢量控制系统引起了国内外学者的广泛关注。
2．驱动单元。驱动单元采用三相全桥自控整流，三相正弦PWM电压型逆变器变频的AC-DC-AC结构。设有软启动电路和能耗泄放电路可避免上电时出现过大的瞬时电流以及电机制动时产生很高的泵升电压。逆变部分采用集驱动电路，保护电路和功率开关于一体的智能功率模块(IPM)。
3．控制单元。控制单元是整个交流伺服系统的核心， 实现系统位置控制、速度控制、转矩和电流控制器。具有快速的数据处理能力的数字信号处理器(DSP)被广泛应用于交流伺服系统，集成了丰富的用于电机控制的专用集成电路，如A/D转换器、PWM发生器、定时计数器电路、异步通讯电路、CAN总线收发器以及高速的可编程静态RAM和大容量的程序存储器等。
4．位置控制系统。对于不同的信号，位置控制系统所表现出的特性是不同的。典型的输入信号有三种形式:位置输入（位置阶跃输入）、速度输入（斜坡输入）以及加速度输入（抛物线输入）。位置传感器一般采用高分辨率的旋转变压器、光电编码器、磁编码器等元件。旋转变压器输出两相正交波形，能输出转子的绝对位置，但其解码电路复杂，价格昂贵。磁编码器是实现数字反馈控制性价比较高的器件，还可以依靠磁极变化检测位置，目前正处于研究阶段，其分辨率较低。
5．接口通讯单元。接口包括键盘/显示、控制I/O接口、串行通信等。伺服单元内部及对外的I/O接口电路中，有许多数字信号需要隔离。这些数字信号代表的信息不同，更新速度也不同。
三、对当前两种不同的永磁同步电机伺服系统的分析
由于转子磁钢的几何形状不同，当转子旋转时，在定子上产生的反电动势波形就有两种：一种为正弦波；另一种为梯形波。这样就造成同步电动机在原理、模型及控制方法上有所不同，为了区别由它们组成的永磁同步电动机交流调速系统，习惯上又把正弦波永磁同步电动机组成的调速系统称为正弦型永磁同步电动机（PMSM）调速系统；而由梯形波（方波）永磁同步电动机组成的调速系统，在原理和控制方法上与直流电动机系统类似，故称这种系统为无刷直流电动机（BLDCM）调速系统。
PMSM不需要励磁电流，在逆变器供电的情况下不需要阻尼绕组，效率和功率因素都比较高，体积也较同容量的异步机小。PMSM通常采用矢量控制和直接转矩两种控制方式。矢量控制借助与坐标变换，将实际的三相电流变换成等效的力矩电流分量和励磁电流分量，以实现电机的解耦控制，控制概念明确；而直接转矩控制技术采用定子磁场定向，借助于离散的两点是调节，直接对逆变器的开关状态进行最佳控制，以获得转矩的高动态性能，其控制简单，转矩响应迅速。PMSM的矢量控制系统能够实现高精度、高动态性能、大范围的速度和位置控制，但是它的传感器则给调速系统带来了诸如成本较高、抗干扰性和可靠性不强、电动机的轴向尺寸较长等缺陷。另外，PMSM转子磁路结构不同，则电动机的运行特性、控制系统等也不同。根据永磁体在转子上的位置的不同，永磁同步电动机主要可分为：表面式和内置式。在表面式永磁同步电动机中，永磁体通常呈瓦片形，并位于转子铁心的外表面上，这种电机的重要特点是直、交轴的主电感相等；而内置式永磁同步电机的永磁于转子内部，永磁体外表面与定子铁心内圆之间有铁磁物质制成的极靴，可以保护永磁体。这种永磁电机的重要特点是直、交轴的主电感不相等。
转贴于
BLDCM组成的伺服系统具有转速平滑，响应快，易于控制等特点，但若按照常规的控制方法，其转速直接与电压相关，易受电源波动和负载波动的影响。BLDCM类似于PMSM转子上也有永磁磁极，定子电枢需要交变电流以产生恒定转矩，其主要区别是前者的反电势为梯形波，而后者的反电势为正弦波。但由于电磁惯性，BLDCM的定子电流实际上为梯形波，而无法产生方波电流，并由集中绕组供电，所以BLDCM较PMSM脉动力矩大。在高精度伺服驱动中，PMSM有较大竞争力。另一方面，PMSM单位电流产生的力矩较BLDCM单位电流产生的力矩小。在驱动同容量的电动机时，PMSM所需逆变器容量大并且需要控制电流为正弦波，开关损耗也大很多。
PMSM的交轴电抗和直轴电抗随电机磁路饱和等因素而变化，从而影响输出力矩的磁阻力矩分量。PMSM对参数的变化较BLDCM敏感，但当PMSM工作于电流控制方式时，磁阻转矩很小，其矢量控制系统对参数变化的敏感性与BLDCM基本相同。当电机转速较高，无刷直流电机反电势与直流母线电压相同时，反电势限制了定子电流。而永磁同步电机能够采用弱磁控制，因此具有较大的调速范围。
四、永磁同步电机伺服系统的国内外发展现状
早期对永磁同步电机的研究主要为固定频率供电的永磁同步电机运行特性的研究，特别是稳态特性和直接起动性能的研究。V.B.Honsinger和M.A.Rahman等人对永磁同步电机的直接起动方面做了大量的研究工作。在上个世纪八十年代国外开始对逆变器供电的永磁同步电机进行了深入的研究，其供电的永磁同步电机与直接起动的永磁同步电机的结构基本相同，但多数情况下无阻尼绕组。并在该时期发表了大量的有关永磁同步电机数学模型、稳态特性、动态特性的研究论文。A.V.Gumaste等研究了电压型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性及电流型逆变器供电的永磁同步电动机稳态特性。
随着对永磁同步电机调速系统性能要求的不断提高，G.R.Slemon等人针对调速系统快速动态性能和高效率的要求，提出了现代永磁同步电机的设计方法。可设计出高效率、高力矩惯量比、高能量密度的永磁同步电机。
近年来微型计算机技术的发展，永磁同步电动机矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。D.Naunin等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统，采用了十六位单片机8097作为控制计算机，实现了高精度、高动态响应的全数字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等发表了大量关于永磁同步电动机矢量控制系统全数字控制的论文。
九十年代初期，R.B.Sepe首次在转速控制器中采用自校正控制。早期自适应控制主要应用于直流电机调速系统。刘天华等也将鲁棒控制理论应用于永磁同步电机伺服驱动。自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统。仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。滑模变结构控制 由于其特殊的“切换”控制方式与电机调速系统中逆变器的“开关”模式相似，并且具有良好的鲁棒控制特性，因此，在电机控制领域有广阔的应用前景。
随着人工智能技术的发展，智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，电气传动控制系统中运用智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气传动技术的新纪元。目前，实现智能控制的有效途径有三条：基于人工智能的专家系统（ExpertSystem）;基于模糊集合理论（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork）的神经控制。B.K.Bose等人从八十年代后期一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用，并取得了可喜的研究成果。
参考文献
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[2]高性能交流永磁同步电机伺服系统现状[J]．自动化控制系统，2007．
[3]刘嘉亮．交流永磁同步电动机伺服系统[J]．
关键词：电动物流汽车；电机；现状与趋势
中图分类号：F253.9 文献标识码：A
Abstract： With the development of China's express delivery business blowout， a rapid growth in the number of logistics vehicles. In the context of energy constraints， environmental pollution， our government put the development of electric vehicles as a logistics solution to energy and environmental problems and realize the sustainable development of one of the major initiatives， the auto production enterprises will also electric car logistics as an important strategic direction grab the commanding heights of the auto industry in the future， the key components of the motor for electric vehicle logistics is currently using more ac asynchronous motor， permanent magnet synchronous motor and switched reluctance motor， the motor has advantages and disadvantages of each. From the angle of technological development， permanent magnetic motor will be a development trend. At the same time， from the point of automotive electrical installation convenience， etc， will be electric logistics hub motor car driving mode of the ideal.
Key words： electric automobile logistics； the motor； current situation and trend
动物流汽车是新能源汽车中发展较快的一个类型。新能源汽车用的驱动电机要满足频繁启/停、加减速，爬坡或低速时能提供较大转矩，在高速行驶时提供小转矩高转速，而且变速范围要宽。由于新能源汽车车载能源为动力电池，容量有限，为获得最大的行驶里程，大多数车辆都采用了能量回馈技术，即在汽车制动时，通过控制器将车轮损耗的动能反馈到电池中，并使电机处于发电状态，将发出的电输送到电池中[1]。因此，电动汽车的驱动机不能单纯的称为电动机，而应称为电机。
科技部要求新能源汽车技术研发将重点围绕电机驱动与电力电子、动力电池与电池管理等6个技术方向展开。考核指标为电机控制器峰值功率密度≥17kW/L，最高效率≥98.5%，匹配电机额定功率20kW至60kW，功能安全满足ISO26262标准ASCIL C级的要求，设计寿命达到15年或40万公里；装车应用≥10 000套[2]。
1 电动物流汽车对电机的要求
与工业生产机械、家用电器等的电机相比，电动物流汽车用驱动电机的工作比较特殊：
（1）电机工况复杂：电动汽车经常启停、加减速、上下坡等，电机的输出转矩和功率变化频繁。
（2）电机在冲击、振动的环境下工作：电动汽车的颠簸和振动都会传递给电机，此外，电机还要承受汽车在紧急制动、急转弯、急加速时的惯性力。
（3）车载电源能量有限：电动汽车的电源能源是有限的，当能量用尽时，需要停止运行，进行充电或添加燃料来恢复其消耗的能量。
（4）电机本身也是负载：电机及其控制器本身的质量也是车辆质量的一部分。
与工业用电机相比，针对电动物流汽车的驱动特点所设计的电机有着特殊的性能要求：
（1）电动物流汽车驱动电机要满足频繁的启停、加减速、转矩控制的动态性能要求较高，电机要有自动调速功能，能减轻使用者的操作强度，提高驾驶的舒适性，并且控制响应能达到与燃油车油门踏板同样的要求。
（2）在允许范围内尽量采用高电压，可减小电机和逆变器及其它装备的尺寸。
（3）为了减少整车的重量，通常取消多级变速器，这就要求在低速或爬坡时，电机可以提供较高的转矩，通常来说要能够承受4～5倍的过载。
（4）调速范围要宽，还需要在整个调速范围内保持较高的运行效率。
（5）电机设计时尽量设计为高额定转速，同时尽量采用铝合金外壳，各种控制器装备的质量和冷却系统的质量等也要求尽可能小，有利于减少电动汽车的重量。
（6）电动汽车应具有最优化的能量利用，具有制动能量回收功能，再生制动回收的能量一般要达到总能量的10%～20%。
（7）电机工作环境较差，要求电机要有很好的可靠性、耐高低温和耐潮性好、噪声低运行，同时还要保证电机的制造成本低。
（8）为保证安全，需要安装高压保护设备。
（9）结构要简单以便于维修，价格还要低廉。
2 电动物流汽车常用电机类型
直流电机、交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机是电动物流汽车常用的动电机。直流电机应用最早，这种电机的特点是控制性能好、成本低，但其重量过大、效率低、电刷和滑环的存在增加维护成本，尤其是电刷的磨损会带来安全隐患。
电动物流汽车对车用电机的要求不断提出新的要求，随着电控、机械制造和材料等技术的进步，交流异步电机、永磁同步电机和开关磁阻电机的性能将更为优越，是目前应用较为广泛的电动物流汽车用电机。电动物流汽车常用电机的性能和优缺点比较及应用车型如表1、表2所示。
3 电动物流汽车用电机发展趋势
3.1 永磁同步电机
由于永磁同步电机效率高、转矩密度高、高效区宽、调速范围宽、重量轻等优点，电机永磁化是未来电机的发展趋势之一[4]。
3.2 轮毂电机
轮毂电机技术又称为车轮内装式电机技术，是一种将电机、传动系统和制动系统融为一体的轮毂装置技术。轮毂电机可采用永磁无刷、直流无刷、开关磁阻等电机类型。由于电机处于车轮轮毂内，受体积限制，要求电机为扁形结构，即电机短而粗。
轮毂电机具有：更方便的底盘布置，更灵活的供电系统，更好的汽车底盘主动控制性能，最优的驱动力分配等技术优点。
由于采用了电动轮驱动的形式，没有了机械传动系，使车厢的空间更大，底盘布置更灵活，底盘通用性增强。同时，汽车的电源供电系统无论是采用燃料电池、超级电容或者蓄电池，或者是它们的组合，都不受限制，原来的机械硬连接动力传动形式也变为电缆进行供电的软连接形式。
轮毂电机的控制响应快、精度高，并且每个驱动轮由各自的控制器控制，可以实现最理想的控制效果。轮毂电机也有比如密封和起步电流/扭矩间的平衡关系，以及转向时驱动轮的差速问等题，但从电机驱动技术的特点和发展趋势来看，轮毂电机将是电动物流汽车最理想的驱动方式。
4 结束语
2015年，我国快递业务总量达到211亿件，同比增长54%，相比去年提高8%。随着整个快递业务量的爆发，物流车辆的增长数量也得到了快速增长。在能源制约、环境污染等大背景下，我国政府把发展电动物流汽车作为解决能源及环境问题、实现可持续发展的重大举措之一，各汽车生产企业也将电动物流汽车作为抢占未来汽车产业制高点的重要战略方向[5]。在政府与企业的共同努力下，我国电动物流汽车近几年展现出良好的发展势头。电机作为电动物流汽车上的关键零部件，其技术、产品品质等还要提升，行业标准还不完善，整个行业还处于起步阶段，关键技术方面还落后于发达国家。因此，加快新一代电机等技术研发，已成为我国“十三五”规划的重点突破方向。
参考文献：
[1] 李登辰. 轮边驱动电动汽车高速齿轮系统的设计与研究[D]. 青岛：青岛科技大学（硕士学位论文），2014.
[2] 刘重才. 电动物流车放量催生电机需求[N]. 上海证券报，2015-12-10（A06）.
[3] 陈艺端. 改进转子结构互感耦合开关磁阻电机性能的研究[D]. 北京：北京交通大学（硕士学位论文），2014.
【关键词】永磁同步电机;恒压频比开环控制;矢量控制;直接转矩控制
1.引言
近年来，随着电力电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。永磁同步电动机具有体积小，损耗低，效率高等优点，在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对其研究就显得非常必要。因此。这里对永磁同步电机的控制策略进行综述，并介绍了永磁同步电动机控制系统的各种控制策略发展方向。
2.永磁同步电机的数学模型
永磁同步电机（PMSM）的永磁体和绕组，绕组和绕组之间的相互影响，电磁之间的关系十分复杂，由于磁路饱和等非线性因素，建立精确的数学模型是很困难的。为了简化PMSM的数学模型，我们通常作如下的假设：
（1）磁路不饱和，电机电感不受电流变化影响，不计涡流和磁滞损耗;
（2）忽略齿槽、换相过程和电枢反应的影响;
（3）三相绕组对称，永久磁钢的磁场沿气隙周围正弦分布;
（4）电枢绕组在定子内表面均匀连续分布;
（5）驱动二极管和续流二极管为理想元件;
（6）转子磁链在气隙中呈正弦分布。
对于永磁同步电机来说，即用固定转子的参考坐标来描述和分析其稳态和动态性能是十分方便的。此时，取永磁体基波励磁磁场轴线即永磁体磁极的轴线为d轴，而q轴逆时针方向朝前90o电角度。d轴与参考轴A之间夹角为。图1为永磁同步电机（PMSM）矢量图。
图1 PMSM空间向量图
Fig.1 Space vector diagram of PMSM
根据图1所示向量图进行坐标变换，满足功率不变原则，得到在旋转坐标系下PMSM的数学模型方程如下
（1）电压方程
由三相静止轴系ABC到同步旋转轴系dq的变换得：
（1）
，Rs为定子相电阻，其中：
。
（2）磁链方程
（2）
式中为转子（永磁体）在dq轴的磁链，，ud、uq，id、iq和、分别为dq轴的电流、电压和磁链。、为dq轴的电感。
（3）转矩方程
电磁转矩的表达式为：
（3）
pn为极对数，定子磁链空间矢量，is为定子电流空间矢量。
3.恒压频比开环控制（VVVF）
恒压频比开环控制（VVVF）是为了得到理想的永磁同步电机转矩-速度特性，基于在改变电源频率进行调速的同时，又要保证电动机的磁通不变的思想而提出的。 按照这种控制策略进行控制，使供电电压的基波幅值随着速度指令成比例的线性增长，从而保持定子磁通的近似恒定。VVVF控制策略简单，易于实现，转速通过电源频率进行控制。但同时，由于系统中不引入速度、位置等反馈信号，因此无法实时捕捉电机状态，致使无法精确控制电磁转矩：在突加负载或者速度指令时，容易发生失步现象;也没有快速的动态响应特性。因此，恒压频比开环控制电机磁通而没有控制电机的转矩，控制性能差。通常只用于对调速性能要求一般的通用变频器上。
4.矢量控制（VC）
七十年代中期，德国学者提出“交流电机磁场定向的控制原理”，即用矢量变换的方法研究交流电机的动态控制规律。矢量控制理论采用矢量分析的方法来分析交流电机内部的电磁过程，是建立在交流电机的动态数学模型基础上的控制方法。它模仿对直流电机的控制技术，将交流电机的定子电流解祸成互相独立的产生磁链的分量和产生转矩的分量。分别控制这两个分量就可以实现对交流电机的磁链控制和转矩控制的完全解祸，从而达到理想的动态性能。使交流传动的动、静态特性有了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。矢量控制是目前高性能交流电机调速系统所采用的主要控制方法，具有很好的动态性能。然而这种控制技术本身还是存在一些缺陷的，受电机参数影响较大，由于电机参数在不同运行情况与环境的多变性，所以系统鲁棒性不强;矢量控制的根本是实现类似直流电机的控制，因此需要进行复杂的解耦运算，增加了信号处理工作负荷，要求更高的硬件处理器配合;
5.直接转矩控制（DTC）
1985年德国学者M.DepenBrock教授首次提出了磁链采用六边形控制方案的直接转矩控制理论。该方法只是在定子坐标系下分析交流电机的数学模型，强调对电机的转矩进行直接控制，省掉了矢量旋转变换等复杂的变换和计算。其磁场定向所用的是定子磁链，只要知道定子电阻就可以把它观测出来。因此，DTC大大减少了矢量控制技术中控制性能易受参数变化影响的问题，很大程度上克服了矢量控制的缺点。
转差角频率越大，转矩越大。转差角频率增加，转矩也增加。说明异步电机的转矩和转矩增长率都可以通过控制定子磁场对转子的角频率来控制。也就是说，异步电机DTC是建立在电机转差角频率控制的理论基础上的。而同步电机并不存在这种转差角频率，正是由于这个原因，DTC策略在同步电机上没有能够快速地得到应用。直到1996年英国的French.C和Acarnley .P发表了关于PMSM的DTC的论文，1997年由澳大利亚的Zhong L， Rahman.M.T教授和南航的胡育文教授等合作提出了基于PMSM的DTC方案，初步解决了DTC控制策略在PMSM上应用的理论基础。有了这个理论基础，PMSM的DTC控制也成了众多学者研究的一个热点。
就目前而言，永磁同步电机控制的直接转矩控制摒弃了矢量控制解耦的思想，将转子磁通定向更换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值以及磁通角，达到控制转矩的目的，具有控制手段直接、结构简单高效、控制性能优良、动态响应迅速的特点。直接转矩控制在克服了矢量控制弊端的同时，这种粗犷式控制方式也暴露出固有的缺陷。首先控制器采用Bang-Bang控制，实际转矩必然在上下限内脉动;再者调速范围受限。在低速时，转矩脉动会增加，而且定子磁链观测值会不准。另外，电机参数的时变对直接转矩控制也有影响。
6.结论
本文所阐述的永磁同步电机的控制方式是最基本的三种控制方式。通过文中的阐述，可以看出每种控制方式都有其利弊，可以根据设备的应用环境工况来选择设备的控制方法。
同时随着控制理论的不断发展，学者们采用智能控制策略，如最优控制、遗传算法、模糊控制等方法，用来克服每种控制方式的弊端，使得永磁同步电机的应该更加广泛，充分发挥其体积小，损耗低，效率高等优点。
参考文献
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关键词：低压真空断路器；双稳态永磁操作机构；真空灭弧室参数；实体模型；有限元分析
中图分类号：TM153 文献标识码：A
1 引言
低压断路器广泛应用于低压配电路中，它不仅担负着反复地接通与断开低压配电电路，而且当电路发生过载、短路等故障时可以立刻动作，断开电路。
近年来，随着技术的发展一些基于真空灭弧室的低压断路器相继出现，但其操动机构基本上是传统的弹簧或电磁操动机构。由于在低压电器中80%的故障都是机械故障。而弹簧操动机构则是靠机械传动，零部件数量多，传动结构复杂，发生故障的概率很高，所以减少机械部件成为减少故障问题的主要方法。
永磁操动机构作为一种新型真空断路器的操作机构，零部件少，运动部件只有一个动铁心，所以大大降低了故障源，几乎不存在可靠性的问题、免维护，而且它的出力特性与反力特性配合良好，已经普遍应用于中、高压领域。本文设计一种配合低压真空灭弧室的双稳态永磁操动机构。对几种不同结构的双稳态永磁操动机构的电磁吸力特性进行分析。
2 设计模型
2.1 四种不同的结构设计
对电压等级不同的真空断路器，由于所带负载、传动机构的不同，动铁心受永磁体的力也不相同，机构的分、合闸动作的时间（分合闸时间）、速度（分合闸速度）也不相同，因此永磁操动机构的结构形式、性能参数也不相同。所以，不同的断路器，根据情况的不同需配备不同结构形式的永磁操动机构。在设计结构前，首先应该对结构、参数和能耗进行分析计算，使其均达到目标要求。由此本文提出了结构形式不同的四种双稳态永磁操作机构：（a）永磁体紧靠动铁心，（b）永磁体紧靠动铁心，但由于在气隙下面加了极靴，因此整个动铁心的长度减小，但是动铁心的行程与（a）保持相同，（c）永磁体紧靠静铁心，（d）永磁体占满整个磁轭部分。
2.2 双稳态永磁操动机构工作原理
虽然结构各不相同，但工作原理却一致，以（a）为例说明。
假设开始时断路器位于合闸的状态，那么动铁心处于操动机构的顶部。所以机构上端空气隙小磁阻小，下端空气隙大磁阻大，因此由永磁体所产生的磁力线绝大部分都通过上部磁路，将动铁心吸合在合闸位置。
当对断路器进行分闸操作时，只需在分闸线圈中通过大小适当的电流，而这一电流产生的磁力线和静铁心上部的磁力线方向完全相反，起到抵消的作用。但是分闸线圈在中部产生的磁力线方向与永磁体在中部产生的磁力线方向却一致。因此动铁心受到的向上的电磁吸力逐渐减小，当分闸线圈中的电流增大到一定程度时，动铁心所受到的电磁吸力之和大于动铁心上的负载，此时动铁心将会向下运动。
当动铁心开始向下运动时，其机构顶端与静铁心的上面的磁极之间的空气隙会越来越大，进而使上面的磁阻逐步增大，而下面的磁阻则会慢慢变小。并且向下运动的过程中伴有电流的增大，使动铁心受的向下的合力增大，进而使得整个动铁芯加速向下运动。当动铁芯到达底部会被永磁体所吸合，此时即使断开分闸线圈中的电流，动铁心依旧会维持在机构的底部即分闸状态。
合闸过程与分闸过程完全相似；这里不再叙述。
3 理论分析及计算
以上的公式说明任何磁场都可当作由分布电流产生，根据经验永磁体有以下两种电流模拟的方法：
（1）永磁体整个区域内部充满电流的模型（体电流模型）。
（2）永磁体外部边界上存在的电流的模型（面电流模型）。
4 仿真及优化设计
永磁操动机构的分、合闸操作以及位置维持依赖于机构内部的磁场变化来实现，所以对机构中的磁场变化进行研究具有重要意义。根据经验和实际理论计算出的尺寸进行实体建模并做如下仿真。
（1）未通电情况下，永磁体单独作用的磁通分布可以说明其工作原理。由于下面的磁路的空气隙使磁阻很大，所以此时磁通几乎都通过上面的磁路。
（2）当接收到分闸命令后，分闸线圈中开始通电，线圈产生的磁场使动铁心下面的磁场变强。随着电流的不断增强，动铁心受线圈产生向下的吸力变大，此力与永磁体产生的电磁吸力相反。使动铁心受到的向上电磁吸力越来越小。
（3）通过对不同电流等级的磁力线分布获得不同结构下的电磁力之和，通过分析结果进而做出优化选择。由于优化是又一个深入的课题，再次就不加以论述。
结论
根据以上实验数据，可以得出：
（1）当分、合闸线圈中通入的电流为零时，动铁心受到的吸力与其体积成正比。
（2）（a）结构线圈作用在动铁心上的力是最先克服永磁吸力向下运动的，而（b）、（c）、（d）结构的线圈需要通入很大的电流才能使动铁心开始动作。
由此可知，在设计永磁机构时，选择方向的不同，会使设计的结构也不同。如果从节能方面考虑，（a）结构更加合适，原因是和另外三种结构相比（a）中线圈通入的电流很小时动铁芯就开始动作；若从结构小型化来设计，（d）更好，因为在操作设备体积相同的时候，（d）结构提供的永磁吸力是最大的。尽管（c）结构耗能大，但是也有它自己的优点，比如如果通入的电流很大时它所产生的永磁吸力也很大，所以（c）结构更适合电压相对较高的真空断路器。
综合考虑低压真空断路器灭弧室的性能要求（动作快，精度高），所以在设计操动机构时，（a）更合理、可行。
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